Prvé skusenosti´ so spracovan´ım raw GNSS dát zo ... · Prvé skusenosti´ so spracovan´ım raw GNSS dát zo zariaden´ı so systémom Android Peter ˇSpánik , Ján

Prve skusenosti so spracovanım raw GNSSdat zo zariadenı so systemom Android

Peter Spanik, Jan Hefty, L’ubomıra Gerhatova, Juraj Papco1

1Katedra geodetickych zakladov, Stavebna fakulta,Slovenska technicka univerzita v Bratislave,

email7 : peter.spanik[stuba.sk, jan.hefty[stuba.sk,lubomira.gerhatova[stuba.sk, juraj.papco[stuba.sk

Druzicove metody v geodezii a katastruFakulta stavebnı VUT v Brne, 1. 2. 2018

Spanik, Hefty, Gerhatova, Papco Raw GNSS data z OS Android Brno, 1. 2. 2018 1 / 21

Raw (angl. surove, prvotne) GNSS data

Co rozumieme pod pojmom raw data?pod termınom raw (angl. surove) data rozumieme merania zıskanespracovanım prijımaneho druzicoveho signalu,predstavuju vstup do algoritmu na urcovanie polohy,zvycajne pod termınom raw data rozumieme kodove merania zıskanekorelaciou pseudonahodnych kodov (pseudovzdialenosti), fazovemerania a dopplerovske merania posunu prijımanej frekvencie.

Na co su raw data dobre?ak mame prıstup k raw datam, mozeme ich modifikovat’ (napr.uplatnit’ korekcie z atmosfery, ionosfery alebo data filtrovat’,prıpadne selektovat’ na zaklade vybranych kriterii) este pred ichpouzitım v algoritme na urcovanie polohy.


Prıstup k raw datam na OS Android

oznamenie prıstupu k raw datam z internych GNSS chipsetovmobilnych zariadenı s OS Android bolo uverejnene na konferenciiGoogle I/O v maji 2016,raw data uvol’nene s novou verziou OS Android – Nougat (API v.24),implementacia prıstupu k raw datam je prostrednıctvom aplikacnehorozhrania (frameworku) android.location, v ktorom pribudli novetriedy:

GnssClock – implementacia funkciı internych hodın,GnssMeasurement – implementacia GNSS meranı,GnssNavigationMessage – implementacia bitov nav. spravy,

OS Android je postaveny na programovacom jazyku Java a celadokumentacia tychto tried je dostupna na:www.developer.android.com/reference/android/location/package-summary.html


Vypocet pseudovzdialenostiPseudovzdialenost’ – je geometricka vzdialenost’ medzi druzicou aprijımacom zat’azena vplyvom nesuladu casovej stupnice systemovehocasu GNSS a casovej stupnice hodın prijımaca.

R sr = (tr − ts) · c (m)tr = TimeNanos − ( FullBiasNanos − BiasNanos ) (ns)ts = ReceivedSvTimeNanos + GPSweek × NanosecondsInWeek (ns)

zaciatok GPS casu(6.1.1980, 0:00:00)

zapnutiezariadenia

zaciatoktyzdna GPS

vyslaniesignalu GPS

prijatiesignalu GPS

sub-nsdomerok

FullBiasNanos TimeNanosGPSweek × NanosecondsInWeek

ReceivedSvTimeNanos BiasNanos

(tr − ts)


Preco nie su dostupne priamo pseudovzdialenosti?

v prijımanom signali je okrem pseudonahodneho kodu (PRN)namodulovana aj navigacna sprava. Modulacna rychlost’ kodu PRNje pre GPS 1.023 Mbit/s, nav. sprava je modulovana rychlost’ou 50bit/s, t.j. vyrazne pomalsie,v podmienkach so zhorsenym prijımom signalu je niekedy nemoznespol’ahlivo dekodovat’ bity navigacnej spravy. Dosledkom je, zeprijımac nevie dekodovat’ hodnotu TOW - Time of Week, ktora jevysielana v kazdom subframe nav. spravy (kazdych 6 sekund),informacia o urovni synchronizacie je dostupna pomocou metodygetState triedy GnssMeasurement, ktora vracia cele cıslo,pouzitel’ne su len merania s bitmi TOW DECODED aleboGLO TOD DECODED nastavenymi na hodnotu 1.


Informacia o urovni synchronizacie signalu

Sta

te

GL

O_

TO

D_

KN

OW

N

TO

W_

KN

OW

N

SB

AS

_S

YN

C

GA

L_

E1

B_

PA

GE

_S

YN

C

GA

L_

E1

C_

2N

D_

CO

DE

_L

OC

K

GA

L_

E1

BC

_C

OD

E_

LO

CK

BD

S_

D2

_S

UB

FR

AM

E_

SY

NC

BD

S_

D2

_B

IT_

SY

NC

GL

O_

TO

D_

DE

CO

DE

D

GL

O_

ST

RIN

G_

SY

NC

SY

MB

OL

_S

YN

C

MS

EC

_A

MB

IGU

OU

S

TO

W_

DE

CO

DE

D

SU

BF

RA

ME

_S

YN

C

BIT

_S

YN

C

CO

DE

_L

OC

K

GNSS Bit no. 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1

39 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1

47 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1

51 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1

49 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1

99 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1

227 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1

16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

1074 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0

5162 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0

Legend: -

-

-

signal LOCK done, DATA sync done, but TOW not resolved

measurement not usable (no signal LOCK)

GPS

GLONASS

GALILEO

signal LOCK done, DATA sync done, TOW resolvedSpanik, Hefty, Gerhatova, Papco Raw GNSS data z OS Android Brno, 1. 2. 2018 6 / 21

Dalsie dostupne meraniaDopplerovske merania

dostupne pomocou getPseudorangeRateMetersPerSecondnie su to priamo merania frekvencneho posunu, ale hodnoty radialnejrychlosti druzice voci prijımacu (tieto veliciny su ekvivalentne),navratove hodnoty su v m/s a su kladne v prıpade, ak sa druzica odprijımaca vzd’al’uje (t.j. dopplerovsky posun je zaporny).

Fazove meraniadostupne pomocou metody getAccumulatedDeltaRangeMetersnavratove hodnoty su vyjadrene v metroch a zodpovedajunaakumulovanej/nascıtanej hodnote pseudovzdialenosti od okamihuprveho merania,dostupnost’ hodnot je znacne limitovana technologiou duty-cycling,ktora cyklicky vypına a zapına GNSS chipset, cım znemoznujekontinualne sledovanie fazy druzicoveho signalu.


Ukazky raw dat zo smartfonu Huawei P10

0 100 200 300 400 500 600 700Measurement epoch (s)

240

260

280

300

320

340

360

380

Pse

udor

ange

rat

e du

ring

epoc

h (m

/s)

diff(pseudorange)doppler measurement

Zobrazenie rozdielov pseudovzdialenostı medzi jednotlivymi epochami spolu s hodnotamidopplerovskych meranı. Diferencie pseudovzdialenostı su vyrazne zasumenejsie akodopplerovske merania, ktore by tak mohli byt’ vyuzite na vyhladenie pseudovzdialenostı.


Dostupnost’ fazovych meranı

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000Measurement epoch (s)

0

5

10

15

20

25

30

35

GP

S s

atel

lite

num

ber

Ukazka dostupnosti fazovych meranı v zavislosti od epochy merania. Periody dostupnych anedostupnych fazovych meranı sa nepravidelne striedaju, pricom najdlhsie su fazove meraniadostupne bez prerusenia asi 300 sekund (5 minut).


Navratove hodnoty neistot meranı

0 200 400 600

Measurement epoch (s)

0

5

10

15

20

25

Pseudorangeuncertainity (m)

0 200 400 600


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Doppler measurementuncertainity (m/s)

1 3 11 14 17 19 22 23 31

0 10 20 30


0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Phase measurementuncertainity (mm)

GPS sat. number:


Porovnanie SNR pre Huawei P10 a geodeticky prijımac

0 20 40 60 80 100


15

20

25

30

35

40

45

50

55

SN

R o

n L1

(dB

Hz)

Huawei P10

0 20 40 60 80 100


15

20

25

30

35

40

45

50

55

Trimble R8 Model 3

1311141719222331

Pri tomto meranı bol smartfon polozeny na skale na Namestı Slobody v Bratislave ageodeticky prijımac bol vzdialeny asi 30 metrov. Obe zariadenia mali vel’mi podobny malozatieneny horizont. Priemerne hodnoty SNR su pre Huawei P10 mensie o 10 – 15 dBHz.


Hodnoty SNR pre Huawei P10

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Measurement epoch (s)

20

25

30

35

40

45

SN

R o

n L1

(dB

Hz)

8101116182127

Pri tomto meranı bol smartfon polozeny na hlave piliera asi 1.2 m nad povrchom pochodznejstrechy bloku A SvF STU. Vyrazne oscilacie su pravdepodobne sposobene odrazmi odokolitych objektov (Narodna banka, strojovna vyt’ahu, samotna strecha). Vyrazny vplyvodrazenych signalov je sposobeny pouzitım malo kvalitnych GNSS anten v smartfonoch.


Vyhladzovanie pseudovzdialenostı

Bezne sa pouzıvaju na vyhladzovanie pseudovzdialenostı fazove merania(tzv. Hatch filter). Namiesto tychto hodnot je mozne vyuzit’ ajdopplerovske merania, cım sa vyhladzovanie stane omnoho robustnejsie,pretoze tie nemaju cycle-slipy. Vyhladzovanie ma potom tvar:

R si = 1

nR s

i + n− 1n

(R s

i−1 +Dsi

)kde jednotlive premenne su:

R si – vyhladena hodnota pseudovzdialenosti v epoche i,

R si – povodna pseudovzdialenost’ v epoche i,

D si – dopplerovske meranie v epoche i,

n – dlzka vyhladzovacieho okna.


Systematicky efekt vyhladzovania


Urcenie polohy smartfonu z raw dat

Na urcenie polohy boli vyuzite skripty v prostredı MATLAB zverejneneGooglom, ktore su vol’ne dostupne na adrese:

https://github.com/google/gps-measurement-toolsZakladne charakteristiky – absolutne urcenie polohy:

vyuzita MNS s aplikovanım vah meranı,vahy boli urcene ako wi = 1/σi, resp. wi = (k/n+ k)/σi (k jepostupne narastajuca dlzka filtra), pricom σi sa zıskala akonavratova hodnota z metody getReceivedSvTimeUncertainityNanos,vyuzite len kodove merania (povodne aj vyhladene),doplnene modely ionosfery (Klobuchar) a troposfery (Niell).

Zakladne charakteristiky – absolutne urcenie polohy:vyuzite dvojnasobne diferencie kodovych meranı.


Vysledky spracovania pre n = 50


Porovnanie spracovania pre rozne nDifferences). Tymto sposobom vypoctu je v prıpade takto kratkych zakladnıc mozne uplne eli-

minovat’ vplyv korekcie hodın druzıc aj oboch prijımacov, vplyv ionosfery aj troposfery. Polohu

urcenu metodou WLS DD mozeme povazovat’ za najlepsie mozne riesenie pre dane merania.

Obr. 7: Vysledky statickeho merania na Namestı Slobody pre rozne dlzky filtra n. Ako bod (0,0)bol zvoleny merany bod geodetickou apraturou GNSS.

Vysledky zıskane zo statickeho merania na Namestı Slobody je mozne zhrnut’ nasledovne (nu-

mericke vyjadrenie rozptylu hodnot, posunu priemernych hodnot, strednych chyb je v Tab. 3):

• vd’aka nezatienenemu horizontu bolo mozne dosiahnut’ vyrazne vyssiu presnost’ ako v

prıpade merania na streche SvF STU,

• zapnute mobilne data umoznili meranie vyssieho poctu druzıc, pocas celeho intervalu me-

rania bolo pouzitel’nych az 9 druzıc s najvyssım stavom synchronizacie signalu,

• vyuzitie atmosferickych korekciı zlepsilo sa vonkajsiu presnost’ vzhl’adom na ref. bod.

14


Numericke porovnanie vysledkov

Porovnanie vysledkov pre rozlicne varianty vypoctu s n = 50Tab. 3: Numericke charakteristiky v (m) vypocıtanych variant pre n = 50.

WLS Pr WLS PrSm WLS PrSmITr WLS DD

rozptyl (N) 28.09 8.54 8.48 6.73rozptyl (E) 28.61 10.09 10.23 7.44posun (N) 0.02 0.44 0.05 -0.09posun (E) 2.32 1.40 1.00 0.10

σN 4.95 1.24 1.23 1.24σE 5.66 1.45 1.50 1.12σNE 7.52 1.91 1.94 1.67

4.3 Kinematicke meranie: Namestie Slobody (chodza)

Kinematicke merania na Namestı Slobody boli vykonane dna 8.12.2017. Pri vsetkych meraniach

bola v smartfone vlozena SIM karta a zapnute mobilne data. Pocas merania bol smartfon drzany

v ruke vo vyske asi 1.5 nad povrchom. Boli vykonane celkom tri jednoduche merania, kazde s

dlzkou do 1 minuty. Prejdene trajektorie boli nasledne zamerane geodetickou aparaturou GNSS

s vyuzitım SKPOS s presnost’ou na centimetre. Boli testovane nasledovne trajektorie:

a) trajektoria tam po lınii smerom na juh

b) trajektoria tam a spat’ po lınii v smere vychod-zapad

c) trajektoria v tvare pısmena U orientovana najma v severo-juznom smere

Obr. 8: Testovacia trajektoria v tvare pısmena I

15


Zistenia, zavery a namety

vyuzitım raw GNSS meranı zo smartfonu Huawei P10 sme dosiahlivysledky na urovni presnosti, ktoru je mozne dosiahnut’ aj vystupomz interneho GNSS chipsetu (interny GNSS vs. nase len GPS),prınos ionosferickych a troposferickych korekciı sa zda byt’zanedbatel’ny (suvislost’ s vel’mi zasumenymi kodovymi meraniami),funkcia duty-cycling znemoznuje zıskanie dlhsieho zaznamu fazovychmeranı, a tym aj vyuzitie inych algoritmov (PPP, RTK),vyhl’adove vyuzitie starsieho tabletu HTC Google Nexus 9, ktory mavypnutu funkciu duty-cycling,nedostatocna kvalita meranı je sposobena najma malo kvalitnouantenou v smartfone (linearne polarizovana antena, geodetickeanteny maju RHCP polarizaciu). Zistit’ moznosti pripojenia externejGNSS anteny na interny chip zariadenia s OS Android.


Sucasne aplikacie vyuzıvajuce raw GNSS data

GNSSLogger – aplikacia na zaznam raw meranı do textovehosuboru, mozny zaznam aj bitov navigacnej spravy a viet NMEA,Geo++ RINEX Logger – zaznamenava dostupne raw merania voformate RINEX, mozne menit’ format, hlavicku. Moznosti vol’by: akedruzice a s akym stavom synchronizaciou sa maju ukladat’,G-RitZ Logger – podobne ako Geo++ RINEX Logger, umoznuje ajzaznam inych senzorovych dat, co moze byt’ vyhoda pri vyuzıvanıfuznych algoritmov (napr. GNSS + INS),PPP WizLite – vyuzıva raw GNSS merania na urcenie polohypomocou PPP, implementovany algoritmus CNES PPP-Wizard,RTCM Converter – umoznuje konverziu raw dat na RTCM format,ktory posiela na existujuci NTRIP caster.


Dakujem za pozornost’!Kontakty:

peter.spanik[stuba.sk, jan.hefty[stuba.sklubomira.gerhatova[stuba.sk, juraj.papco[stuba.sk

Prezentacia je dostupna na adrese:https://spanikp.github.io/presentations/GNSS-Brno-2018.pdf


Prvé skusenosti´ so spracovan´ım raw GNSS dát zo ... · Prvé skusenosti´ so spracovan´ım raw GNSS dát zo zariaden´ı so systémom Android Peter ˇSpánik , Ján

Documents